“網(wǎng)格計(jì)算”（Grid Computing）一詞產(chǎn)生于20世紀(jì)90年代初，比喻用戶獲取網(wǎng)格上的計(jì)算力象獲取電力網(wǎng)的電力一樣容易。所謂網(wǎng)格計(jì)算通常是指集聚地理分布的計(jì)算資源實(shí)現(xiàn)高性能計(jì)算，從而形成龐大的全球性的計(jì)算體系。目前網(wǎng)格計(jì)算在計(jì)算領(lǐng)域是一個(gè)非常熱門的話題。

根據(jù)網(wǎng)格計(jì)算側(cè)重點(diǎn)不同，網(wǎng)格計(jì)算分為分布式超級(jí)計(jì)算（Distributed Supercomputing）、大吞吐量計(jì)算（High-Throughput Computing）、即時(shí)計(jì)算（On-Demand Computing）、數(shù)據(jù)密集型計(jì)算（Data-Intensive Computing）和協(xié)同計(jì)算（Collaborative Computing）五種類型

網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)將解放人們使用計(jì)算的方法，使人們可以輕而易舉地為一些科研工作創(chuàng)建和使用大規(guī)模、多學(xué)科、動(dòng)態(tài)的、分布式的、高性能的應(yīng)用環(huán)境，而這些科研工作在以前是不可能開(kāi)展的或開(kāi)展起來(lái)代價(jià)很高，如高能物理數(shù)據(jù)分析、氣候建模、宇宙觀測(cè)、實(shí)時(shí)遙感數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)同化、大型數(shù)據(jù)集交互分析和虛擬現(xiàn)實(shí)可視化等。

網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)是數(shù)字城市空間信息應(yīng)用服務(wù)領(lǐng)域的核心技術(shù)。一個(gè)數(shù)字城市中的空間數(shù)據(jù)通常都是非常大的，特大城市（如北京、上海等）一般達(dá)到數(shù)萬(wàn)億比特（PB）的數(shù)據(jù)容量。而且隨著城市的不斷發(fā)展，空間數(shù)據(jù)不斷積累，城市遙感數(shù)據(jù)不斷更新，數(shù)字城市空間數(shù)據(jù)容量通常成倍增長(zhǎng)。為了滿足空間信息分布式應(yīng)用服務(wù)的要求，必須對(duì)這些海量的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式存儲(chǔ)和在線分析（即分布式計(jì)算）。但是由于單個(gè)機(jī)構(gòu)組織擁有的計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源非常有限，而且對(duì)計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源進(jìn)行擴(kuò)充代價(jià)極大，如購(gòu)買超級(jí)計(jì)算機(jī)、大型工作站、存儲(chǔ)服務(wù)器等。這樣必須設(shè)法把分散的空閑CPU資源和磁盤空間收集起來(lái)聚合成為一臺(tái)虛擬的超級(jí)服務(wù)器，解決傳統(tǒng)方法不可能解決的大型計(jì)算問(wèn)題，如城市虛擬仿真。另外，數(shù)字城市中的組織機(jī)構(gòu)可以利用網(wǎng)格計(jì)算提高空間信息應(yīng)用服務(wù)的響應(yīng)速度和吞吐量（單位時(shí)間內(nèi)的應(yīng)用服務(wù)容量）。

我國(guó)數(shù)字城市建設(shè)通過(guò)政府引導(dǎo)、研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)積極參與不斷深入。目前國(guó)外對(duì)網(wǎng)格計(jì)算研究非常重視，許多有關(guān)項(xiàng)目正在進(jìn)行。根據(jù)作者的調(diào)查研究，國(guó)內(nèi)網(wǎng)格計(jì)算研究也剛剛起步，特別是在數(shù)字城市空間信息應(yīng)用服務(wù)領(lǐng)域。

數(shù)字城市是指信息化的城市，是信息時(shí)代實(shí)體城市向虛擬城市的自然進(jìn)化。由于數(shù)字城市中許多領(lǐng)域都是數(shù)據(jù)密集、計(jì)算密集或訪問(wèn)密集的。如專業(yè)仿真型城市地理信息系統(tǒng)通常是數(shù)據(jù)密集加計(jì)算密集的；城市遙感影像實(shí)時(shí)（Real-Time）處理也是數(shù)據(jù)密集加計(jì)算密集的；分布式虛擬現(xiàn)實(shí)城市地理信息系統(tǒng)和空間信息應(yīng)用服務(wù)則是數(shù)據(jù)密集加計(jì)算密集再加訪問(wèn)密集。因此網(wǎng)格計(jì)算對(duì)數(shù)字城市諸多領(lǐng)域都將產(chǎn)生非常深遠(yuǎn)的影響，希望引起數(shù)字城市領(lǐng)域的研究人員的高度重視。下面從專業(yè)仿真型城市地理信息系統(tǒng)、城市遙感影像實(shí)時(shí)處理和虛擬現(xiàn)實(shí)城市地理信息系統(tǒng)三個(gè)領(lǐng)域來(lái)闡明上述觀點(diǎn)。

城市地理信息系統(tǒng)是數(shù)字城市的重要組成部分。地理信息系統(tǒng)中的空間分析通常涉及海量的地圖數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)、地理數(shù)據(jù)，因此空間分析是典型的數(shù)據(jù)密集型計(jì)算問(wèn)題。目前地理信息系統(tǒng)的空間分析功能還不是非常強(qiáng)大，但即便這樣通常也需要配置高檔微機(jī)、圖形工作站。這樣用戶光是硬件投入就很大，這在一定程度上給用戶設(shè)置了較高的應(yīng)用地理信息系統(tǒng)的門檻。隨著地理信息系統(tǒng)軟件的進(jìn)一步發(fā)展，地理信息系統(tǒng)軟件的空間分析功能也逐步增強(qiáng)，需要消耗的計(jì)算資源也越來(lái)越多，計(jì)算資源的短缺逐漸成為地理信息系統(tǒng)應(yīng)用的瓶頸問(wèn)題。目前正在發(fā)展的網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)正是有效解決這個(gè)問(wèn)題的重要方法，采用網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)，用戶可以根據(jù)工作任務(wù)實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算資源點(diǎn)播（Computing Resource On-demand）。隨著地理信息系統(tǒng)應(yīng)用的深入，通用平臺(tái)型的地理信息系統(tǒng)逐步向?qū)I(yè)仿真型的地理信息系統(tǒng)的方向發(fā)展?；诘乩硇畔⑾到y(tǒng)的系統(tǒng)仿真在數(shù)字城市中諸如城市交通流量仿真、城市環(huán)境污染擴(kuò)散仿真、城市規(guī)劃設(shè)計(jì)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。這些基于地理信息系統(tǒng)的專業(yè)仿真系統(tǒng)通常需要強(qiáng)大計(jì)算力的支持。特別是對(duì)于那些實(shí)時(shí)性要求非常強(qiáng)的領(lǐng)域，這種計(jì)算力支持要求更加迫切?？梢?jiàn)，網(wǎng)格計(jì)算在基于地理信息系統(tǒng)的專業(yè)仿真系統(tǒng)領(lǐng)域有著非常廣闊的應(yīng)用前景。 #p#page_title#e#

在數(shù)字城市中，許多城市應(yīng)用領(lǐng)域部門希望即時(shí)得到經(jīng)過(guò)處理的城市遙感影像。如氣象部門要求獲得某個(gè)時(shí)間的城市上空云圖分布數(shù)據(jù)、交通部門要求獲得某個(gè)時(shí)間的城市交通流量分布數(shù)據(jù)、環(huán)保部門要求獲得某個(gè)時(shí)間的城市環(huán)境污染情況數(shù)據(jù)、公安部門要求獲得某個(gè)時(shí)間的突發(fā)事件事態(tài)情況數(shù)據(jù)，等等。上述這些情況都要求對(duì)海量城市衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。而圖象處理也是非常消耗CPU資源的，網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)的出現(xiàn)使對(duì)海量城市衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理成為可能，城市各個(gè)職能部門可以對(duì)相關(guān)部分進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、進(jìn)行快速反應(yīng)。

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）是一種利用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)人工合成的可以按照用戶的輸入而變化的模擬仿真環(huán)境，一個(gè)多維信息空間，一個(gè)用戶可與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自然交互的三維人機(jī)界面。虛擬現(xiàn)實(shí)的主要特點(diǎn)是用戶可以沉浸式地與虛擬場(chǎng)景交互，獲得一種身臨其境的感受，從而激發(fā)用戶的想象力。為了進(jìn)一步提高用戶與地理信息系統(tǒng)交互的深度和廣度，突破傳統(tǒng)圖形用戶界面，地理學(xué)家開(kāi)始利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)生成虛擬地理環(huán)境（VGE），這樣可以極大地提高了地理信息顯示的真實(shí)感和對(duì)地理信息的可操作性，使我們更加容易理解地理數(shù)據(jù)。

在數(shù)字城市中，虛擬現(xiàn)實(shí)城市地理信息系統(tǒng)（VRUGIS）的主要目標(biāo)是通過(guò)采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)城市景觀建模和城市環(huán)境變量的可視化來(lái)建立人機(jī)和諧的虛擬城市。目前制約VRUGIS發(fā)展的瓶頸問(wèn)題之一是實(shí)時(shí)場(chǎng)景渲染問(wèn)題。由于用戶與VRUGIS的交互方式是沉浸式的，為了消除場(chǎng)景的閃爍感和交互時(shí)場(chǎng)景變化的滯后感，通常要求場(chǎng)景刷新率比較高，即場(chǎng)景渲染實(shí)時(shí)性強(qiáng)。由于場(chǎng)景渲染涉及大規(guī)模的三角形繪制過(guò)程，這種圖形繪制過(guò)程是非常消耗計(jì)算資源的，因此目前虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)通常需要配備超級(jí)圖形工作站，但這種超級(jí)圖形工作站價(jià)格通常非常的高，一般用戶是承受不起的。如果采用網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)把若干普通PC連接起來(lái)構(gòu)成一個(gè)虛擬超級(jí)計(jì)算機(jī)，則用戶的投資可以少許多。另外，也可以考慮包計(jì)算任務(wù)外包給專門的計(jì)算公司，用戶就可以只要支出少量費(fèi)用就可以完成獲得需要的計(jì)算資源。

網(wǎng)格計(jì)算能夠提供許多傳統(tǒng)計(jì)算模式所沒(méi)有的好處：第一，更好地利用計(jì)算資源。網(wǎng)格計(jì)算可以更加有效地使用分布式的計(jì)算資源，提供更多可用的計(jì)算力。這可以減少對(duì)市場(chǎng)的響應(yīng)時(shí)間，提高產(chǎn)品創(chuàng)新能力，為改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行額外的測(cè)試和仿真。網(wǎng)格計(jì)算通過(guò)使用現(xiàn)有的資源幫助組織機(jī)構(gòu)保護(hù)IT方面的投資，以不變的投資獲得更多計(jì)算能力；第二，增加用戶的生產(chǎn)力。通過(guò)提供對(duì)資源的透明訪問(wèn)，用戶可以更快地完成工作。用戶還可以獲得額外的生產(chǎn)力，因?yàn)樗麄兛梢詫Ｗ⒂谠O(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)而再為收集計(jì)算資源和人工調(diào)度和管理大量工作浪費(fèi)寶貴的時(shí)間。第三，高度可伸縮性。網(wǎng)格可以隨時(shí)間無(wú)縫地增長(zhǎng)，允許成千上萬(wàn)的處理器集成為一個(gè)聚簇。可以獨(dú)立地升級(jí)系統(tǒng)組件，一旦需要就可以增加額外的資源，減少大量一次性支出。第四，高度柔性。網(wǎng)格計(jì)算可以在最需要的地方提供計(jì)算力，幫助更好地滿足動(dòng)態(tài)變化的工作負(fù)荷。網(wǎng)格可以包含異構(gòu)的計(jì)算節(jié)點(diǎn)，允許根據(jù)指令增加或刪除資源。